Teste de Caldeiras a Combustíveis Sólidos
Empresa: BOSCH Termotechnika s.r.o.
Manuel José Martins Miranda
Projecto final do MIEM
Realizado ao abrigo do programa Erasmus - Estágios Orientador na BOSCH Termotechnika s.r.o.: Eng. Dirk Hofmann
Orientador na FEUP: Prof. Carlos Pinho
MESTRADO INTEGRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA TÉRMICA
Gostaria de agradecer ao Eng. Dirk Hofmann pelo apoio à realização do projecto na Bosch Termotechnika s.r.o., ao Eng. Lapis e ao Eng. Kocian pelo apoio, discussão e valorização do trabalho com eles realizado, ao Sr. Barina pelo apoio concedido na realização dos testes apesar da barreira linguística existente e a todos os que tornaram a minha estadia na República Checa mais agradável.
Agradecimentos ao Prof. Carlos Pinho que desde o início se mostrou disponível a orientar o projecto apesar das dificuldades e risco inerentes à condução de um projecto a longa distância, pelo apoio, conselhos e disponibilidade.
Agradeço à rede Erasmus que permite que todos os anos alunos de toda a Europa vivam o seu europeísmo.
Agradeço ao DCoop o seu apoio total na minha formação universitária, em especial à Dr. Fernanda Correia que tudo fez para que eu pudesse abraçar este projecto.
industrial a nível mundial exigem o desenvolvimento de novos produtos e a melhoria dos existentes. O aumento da eficiência, a diminuição das emissões gasosas e a redução de custos são as linhas mestras que comandam o desenvolvimento de produto na termotecnologia a nível mundial. Para que este desenvolvimento possa ocorrer, é necessário que as empresas conheçam melhor os seus produtos sendo esse o propósito deste projecto: o desenvolvimento de procedimentos e bancas de teste que permitam à Bosch Termotechnika s.r.o. conhecer melhor os seus produtos.
No seu âmbito, foi desenvolvida uma banca de testes em circuito fechado. Esta banca permitirá o teste de eficiência de caldeiras segundo a norma EN304 e a simulação da operação da caldeira em funcionamento real. Não foi possível a sua implementação devido à incapacidade dos fornecedores e instaladores de cumprir os prazos definidos.
Os procedimentos de testes de durabilidade definidos permitirão conhecer melhor o comportamento do produto ao longo da sua vida útil. Da análise destes testes, resultará a melhoria dos componentes que sofrem degradação precoce e a redução de custos nos componentes que se encontram sobredimensionados. Não foi possível a sua implementação pois estão enquadrados num projecto maior – a zona de testes de durabilidade – cuja construção se irá realizar apenas este ano.
Os critérios de robustez definidos permitirão melhorar a robustez do produto, aumentando o seu ciclo de vida e reduzindo a probabilidade de falhas das quais possam resultar danos materiais e humanos.
Finalmente, os testes de estanquicidade, de resistência à pressão hidráulica e de resistência à variação de pressão permitiram uma abordagem mais prática. Exigiram uma acção rápida, eficiente e pragmática, tendo-se encontrado soluções bastante satisfatórias para a estanquicidade da caldeira já implementadas em produção.
O presente projecto obteve resultados muito positivos ao melhorar significativamente a estanquicidade das caldeiras da gama Prexal. A médio prazo, a nova banca de testes, os testes de durabilidade e a compilação dos critérios de robustez permitirão a melhoria da fiabilidade, o aumento do ciclo de vida e a redução de custos dos produtos produzidos. A longo prazo, certamente que o presente projecto será fundamental para a sobrevivência da fábrica ao
The rising oil prices, the climate changes and the increasing global industrial competitiveness require the development of new products and the improvement of the existing ones. Increase of efficiency, reduction of gas emissions and reduction of costs are the guidelines that command the worldwide product development in thermotechnology. For this development to occur, companies are required to know better their products. That is the purpose of this project: the development of test procedures and test benches that allow Bosch Termotechnika s.r.o. to improve its products.
Taking that in mind, a closed circuit test bench was developed. The bench will allow the testing of boilers efficiency according to the EN304 standard and the simulation of the boiler real operation. It wasn´t possible to implement it because the suppliers weren´t capable to meet the deadlines.
The durability tests procedures that were set will allow to know better the performance of the product throughout its lifetime, resulting on the improvement of components with early degragation and on the cost reduction in oversized components. It wasn´t possible to implement them because they are framed in a larger project - the area of durability tests – wich construction will take place only this year.
The set of evaluation criteria will improve the product robustness, increasing its life cycle and reducing the probability of failure of which may result material and/or human damage.
Finally, the airleakage, the hydraulic pressure resistance and the hydraulic pressure change resistance tests led to a more practical approach demanding for a swift, efficient and pragmatic action. The testing benches and the problems resolution are quite satisfactory and were implemented in production.
In the short term, this project has already lead to very positive results by proposing solutions that will significantly improve the Prexal range of airtight boilers. In the medium term, the new testing bench, durability tests and robustness criteria compilation will improve the reliability, increase the life cycle and reduce costs of products produced. Over time, this project will certainly be crucial for the survival of the plant by enabling the development of more robust, more efficient and cheaper products.
1 Introdução ... 1 1.1 Energia ... 1 1.2 Energias Renováveis ... 4 1.2.1 Energia Hídrica ... 4 1.2.2 Energia Eólica ... 4 1.2.3 Energia Solar ... 5 1.2.4 Biocombustíveis ... 5 1.2.5 Biomassa ... 6 1.3 Empresa ... 9 1.4 O Projecto ... 10 1.4.1 Objectivos ... 11 2 Combustão ... 12 2.1 Combustíveis Sólidos ... 13
2.2 Aquecimento Central a Combustíveis Sólidos ... 16
2.3 Caldeiras a Combustíveis Sólidos ... 20
2.3.1 Caldeira Normal ... 20 2.3.2 Caldeira de Gaseificação ... 21 2.4 Gamas a Testar ... 23 2.4.1 Gama DOR ... 24 2.4.2 Gama FB ... 26 2.4.3 Gama PYRO ... 28
3 Teste de Eficiência e Emissões ... 30
3.1 Teste de Eficiência ... 30
3.2.2 Concepção ... 36
3.2.3 Selecção de Tubagem ... 38
3.2.4 Isolamento ... 39
3.2.5 Permutador de Calor ... 40
3.3 Esquema da Instalação ... 45
3.3.1 Função dos Componentes ... 46
3.3.2 Cálculo das Perdas de Carga ... 50
3.3.3 Selecção da Bomba ... 51
3.4 Instrumentação ... 53
4 Principais Causas de Falhas em Caldeiras a Combustíveis Sólidos ... 54
4.1 Corrosão ... 54 4.1.1 Oxidação ... 55 4.1.2 Sulfuração ... 55 4.1.3 Carbonização ... 56 4.1.4 Cinzas e Condensação ... 56 4.2 Erosão ... 57
4.3 Cargas Cíclicas de Origem Térmica ... 57
4.4 Efeito Combinado da Corrosão, Erosão e Cargas Cíclicas de Origem Térmica . 57 4.4.1 Erosão-Corrosão ... 57
4.4.2 Fadiga-Corrosão ... 58
4.5 Fluência ... 59
5 Metodologia de Definição das Falhas - FMEA ... 61
6 Falhas a Avaliar em Testes de Durabilidade ... 64
7 Metodologia de Avaliação de Falhas ... 68
7.1 Requisitos ... 68
7.1.1 Qualificação da Mão-de-obra ... 68
7.1.2 Quantificação dos Resultados ... 69
7.1.3 Características a Analisar ... 69 7.2 Métodos Seleccionados ... 70 7.2.1 Permutador de Calor ... 70 7.2.2 Injector ... 70 7.2.3 Grelha ... 71 7.3 Pontos de Inspecção ... 72 7.4 Critérios de Aprovação ... 73 8 Teste de Durabilidade ... 74
8.1 Definição das Condições do Teste ... 74
8.2 Definição do Procedimento de Teste ... 74
8.3 Zona de Testes de Durabilidade ... 77
9 Critérios de Robustez ... 81
10 Estanquicidade da Gama de Caldeiras Prexal ... 85
10.1 Problema ... 85
10.2 Critérios de Aprovação ... 86
10.2.1 Estanquicidade da Caldeira ... 86
10.2.2 Resistência à Variação de Pressão Hidráulica ... 86
10.2.3 Resistência à Pressão Hidráulica ... 86
10.3 Bancas de Teste ... 87
10.3.4 Medição da Deformação Plástica ... 89
10.4 Resolução ... 90
10.5 Análise dos Resultados ... 96
10.6 Conclusões ... 98
11 Conclusões e Trabalhos Futuros ... 99
12 Refêrencias e Bibliografia ... 103
12.1 Sítios na Internet Consultados ... 104
Anexo A - Procedimento de Teste “Estanquicidade do Colector de Gases de Escape” . 105 Anexo B - Exemplar de Folha de Cálculo de “Estanquicidade do Colector de Gases de Escape” ... 106
Anexo C - Banca de Teste “Resistência à Variação da Pressão Hidráulica” ... 109
Anexo D - Procedimento de Teste “Resistência à Variação de Pressão Hidráulica” ... 111
Anexo E - Exemplo de Relatório de “Estanquicidade do Colector de Gases de Escape” .... ... 113
Anexo F - Exemplo de Relatório de “Resistência a Variação de Pressão Hidráulica” ... 122
Anexo G - Exemplo de Relatório “Resistência à Pressão Hidráulica” ... 128
Anexo H – Critérios de Robustez – Procedimentos de Teste ... 135
Esquema 2.1 - Sistema de aquecimento central que integra caldeira a combustíveis
solidos e outro tipo de caldeira ... 19
Esquema 2.2 - Sistema de controlo de temperatura ... 19
Esquema 2.3 - Organização de uma caldeira genérica ... 20
Esquema 2.4 - Organização de uma caldeira normal ... 21
Esquema 2.5 - Arranque da combustão numa caldeira de gaseificação ... 22
Esquema 2.6 - Funcionamento de uma caldeira da gama DOR ... 25
Esquema 2.7 - Funcionamento de uma caldeira da gama FB ... 27
Esquema 2.8 - Funcionamento de uma caldeira da gama PYRO... 29
Esquema 3.1 - Instalação de uma banca de eficiência em circuito fechado ... 31
Esquema 3.2 - Instalação de uma banca de eficiência em circuito aberto ... 31
Esquema 3.3 - Instalação de aquecimento central com uma caldeira a combustíveis sólidos... 34
Esquema 3.4 - Exemplar de válvula (Zappe, 2009) ... 36
Esquema 3.5 - Permutador Alfa Laval CB14-14H ... 43
Esquema 3.6 - Permutador Alfa Laval CB27-34M ... 44
Esquema 3.7 - Banca de teste de eficiência em circuito fechado ... 45
Esquema 3.8 - Bomba WILO-TOP-S 40/7 ... 52
Esquema 7.1 - Método de medição da deformação da grelha ... 71
Esquema 8.1 - Planta da zona de durabilidade ... 77
Esquema 8.2 - Disposição da Zona de durabilidade ... 78
Esquema 8.3 - Disposição (ou traçado) do sistema de tubagens ... 78
Esquema 8.4 - Pormenor da ligação da caldeira ao sistema de tubagens ... 79
Esquema 10.2 - Bancas de teste para 'Estanquicidade da caldeira' ... 87
Esquema 10.3 - Banca de teste para 'Resistência à Pressão Hidráulica' ... 88
Esquema Anexo C.1 - Versão simplificada da banca de teste para “Resistência à Variação de Pressão Hidráulica” ... 109
Esquema Anexo I.1 - Válvula corrediça (Zappe, 1999) ... 144
Esquema Anexo I.2 - Válvula de globo (Zappe, 1999) ... 145
Esquema Anexo I.3 - Válvula anti-retorno (Zappe, 1999) ... 146
Esquema Anexo I.4 - Válvula de macho esférico (Zappe, 1999) ... 147
Esquema Anexo I.5 - Válvula borboleta (Zappe, 1999) ... 148
Figura 2.1 - Lareira com sistema de aquecimento de água ... 16
Figura 2.2 - Fogão a lenha com sistema de aquecimento de água ... 17
Figura 2.3 - Fogão de sala com sistema de aquecimento de água ... 17
Figura 2.4 - Caldeira a combustíveis sólidos independente ... 18
Figura 3.1 - Exemplar de permutador água-ar (Alfa Laval, 2004) ... 40
Figura 3.2 - Exemplares de permutadores água-água (Alfa Laval, 2004) ... 41
Figura 6.1 - Grelha de combustível ... 65
Figura 6.2 - Injector da gama PYRO após 5 anos de utilização... 66
Figura 6.3 - Permutador de calor da Gama FB ... 67
Figura 10.1 - Frente da caldeira com indição da designação atribuida aos cantos ... 89
Figura 10.2 - Pormenor do canto do colector de gases de combustão soldado ... 93
Figura 10.3 - Da esq. para a dir. – De série; Em cruz; Raio menor; Raio maior ... 94
Figura 10.4 - Silicone vedante utilizado na vedação do colector dos gases de combustão ... 95
Figura Anexo A.1 - Fita metálica no adaptador do colector de gases de exaustão ... 105
Figura Anexo A.2 - Fita metálica no adaptador do queimador ... 105
Figura Anexo D.1 - Banca de teste para “Resistência à Variação de Pressão Hidráulica” ... 109
Figura Anexo D.1 - Ligação à purga da caldeira ... 111
Figura Anexo D.2 - Adaptadores das conexões de entrada e saída de água da caldeira . 111 Figura Anexo D.3 - Visão superior da instalação da caldeira ... 112
Gráfico 1.1 - Evolução do consumo de energia primária por origem em Portugal (IEA,
2009)... 2
Gráfico 1.2 - Simulação dos gastos em aquecimento para um consumo de 120GJ e um espaço aquecido de 130m2 (ATMOS, 2008) ... 7
Gráfico 3.1 - Curvas características da bomba Wilo-TOP-S 40/7 ... 51
Gráfico 3.2 - Consumo energético da bomba WILO-TOP-S 40/7 ... 52
Gráfico 4.1 - Relação entre tensão aplicada e n.º de ciclos para a ruptura em ambientes corrosivos (Talbot, 2006) ... 59
Gráfico 4.2 - Relação genérica entre temperatura, tensão e tempo para a ruptura (Talbot, 2006)... 60
Gráfico 10.1 - Estanquicidade da caldeira original ... 90
Gráfico 10.2 - Estanquicidade após teste de " Resistência à Variação de Pressão Hidráulica" ... 91
Gráfico 10.3 - Estanquicidade após teste de " Resistência à Pressão Hidráulica" ... 92
Gráfico 10.4 - Estanquicidade após a soldadura dos cantos do colector de gases de combustão... 93
Gráfico 10.5 - Estanquicidade da caldeira para as diferentes concepções da corda ... 94
Gráfico 10.6 - Evolução da deformação ao longo dos diferentes testes ... 96
Gráfico 10.7 - Evolução do volume de fuga de ar ao longo dos testes ... 96
Gráfico 10.8 - Relação entre a concepção do vedante e o rácio de fugas ... 97
Tabela 1.1 - Simulação dos gastos em aquecimento para um consumo de 120GJ e um
espaço aquecido de 130m2 (ATMOS, 2008) ... 6
Tabela 2.1 - Reservas mundiais de carvão no final de 2005 (World Energy Council, 2007) ... 13
Tabela 2.2 - Composição típica dos diferentes tipos de combustíveis sólidos (CEN, 1994) ... 15
Tabela 2.3 - Ar teórico de combustão para diferentes combustíveis sólidos (ASHRAE, 2001)... 15
Tabela 2.4 - Percentagem de CO2 para um dado excesso de ar para diferentes combustíveis (ASHRAE, 2001) ... 15
Tabela 2.5 - Características das caldeira da gama DOR ... 24
Tabela 2.6 - Características das caldeiras da gama FB ... 26
Tabela 2.7 - Características das caldeiras da gama PYRO ... 28
Tabela 3.1 - Distância entre apoios para diferentes tamanhos de tubagens e espessuras de isolamento (Nayyar, 2000) ... 38
Tabela 3.2 - Espessura de isolamento para diferentes tipos de tubagens e temperaturas de operação (Nayyar, 2000) ... 39
Tabela 3.3 - Características do Permutador Alfa Laval CB27-34M ... 41
Tabela 3.4 - Características do permutador Alfa Laval CB-14M ... 42
Tabela 3.5 - Perdas de carga do sistema para os caudais mínimo e máximo ... 50
Tabela 3.6 - Dimensões e peso da bomba WILO-TOP-S 40/7 ... 52
Tabela 3.7 - Características da Bomba Wilo TOP-S 40/7... 53
Tabela 5.1 - Definição do grau de criticidade do problema (Bosch, 2007) ... 62
Tabela 5.2 - Métodos de inquisição da probabilidade de ocorrência de uma falha (Bosch, 2007)... 63 Tabela 9.1 - Critérios de robustez, seus objectivos, critérios de aprovação e origem – n.°1
Tabela 9.3 - Critérios de robustez, seus objectivos, critérios de aprovação e origem – n.°19 a 29 ... 84 Tabela 10.1 - Deformação original do painel frontal ... 90 Tabela 10.2 - Fugas de ar: janela de inpecção (à dir.) e cantos do colector de gases de combustão (à esq.) ... 91 Tabela 10.3 - Deformação do painel frontal após teste de "Resistência à Variação de Pressão Hidráulica" ... 91 Tabela 10.4 - Deformação após teste de "Resistência à Pressão Hidráulica" ... 92 Tabela 10.5 – Fuga de ar para as diferentes concepções ... 94 Tabela Anexo I.1 - Perda de carga para diferentes tipos de válvulas, ligações e diâmetros (ASHRAE, 2001) ... 150 Tabela Anexo I.2 - Gama de variação da perda de carga para diferentes tipos de válvulas e ligações (ASHRAE, 2001) ... 150 Tabela Anexo I.3 - Características dos diferentes tipos de válvulas (Zappe, 1999) ... 151
1 Introdução
1.1 Energia
Nos últimos 200 anos, a satisfação das necessidades energéticas da humanidade assentaram na utilização do petróleo e nos seus derivados. O seu preço reduzido, o alto rácio da energia obtida pela energia dispendida na sua extracção, a tecnologia simples usada na sua utilização e a ideia utópica de que as reservas eram inesgotáveis fizeram com que facilmente a humanidade se tornasse dependente deste combustível fóssil.
Porém, nos anos 70, surgiu o primeiro aviso de que nem sempre esta dependência seria pacífica. A OPEP cortou a produção de petróleo, fazendo com que os preços subissem mais de 400%, instalando o caos mundial, com racionamento de combustível e longas filas de espera nos postos de abastecimento.
A crise passou, a utilização irracional continuou. Porém alguns países, conscientes da sua dependência, começaram a diversificar as suas fontes de energia, como é o caso da Dinamarca com a energia eólica, a Grécia com a energia solar térmica e a França com a energia nuclear. Parte da Europa passou a efectuar o aquecimento de edifícios através de gás transportado por gasodutos vindos da Rússia, no caso da Europa Central e Ocidental, e a partir do norte de África, no caso dos países da Europa meridional.
Durante os anos 90, os baixos preços do petróleo, fizeram com que as empresas do sector desinvestissem na renovação das plataformas de extracção de petróleo e que só se apostasse na prospecção de novas jazidas de petróleo em áreas promissoras. Este facto levou a que a capacidade de produção não acompanhasse as necessidades de consumo.
No final dos anos 90, países como a China, a Rússia, Índia e Brasil, ao apostarem numa economia de mercado e ao estabilizarem a sua situação politica, começaram a sofrer um forte crescimento da economia, fazendo com que a procura do petróleo aumentasse, distorcendo o mercado.
Com o grande crescimento económico, veio também a sede de poder. A China, com grande volume de exportações, acumulou valores recorde de divisas estrangeiras, utilizando esse dinheiro para investir em países ricos em petróleo, como Angola, onde, ao contrário dos países ocidentais, não impõe contrapartidas politicas, tornando-se num investidor prioritário. A Rússia, consciente da dependência europeia do gás russo, saudosa do poder político da era
Rússia à China e ao Japão estiver terminado, a Rússia já não necessitará da Europa para escoar a sua produção de gás. O Brasil, que recentemente entrou na OPEP, possui ainda uma produção de etanol, substituto biológico da gasolina, e biodiesel assinaláveis. Estabelece acordos com os EUA, onde pede sempre em troca algum poder político.
O aumento da procura mundial, a instabilidade no Médio Oriente, o desinvestimento dos anos 90, a mudança de balanços políticos a nível mundial, o surgimento de novas potências económicas, acompanhado pela especulação que as novas tecnologias de informação permitem, levaram a que o petróleo atingisse valores recorde em Julho de 2008.
A crise causada pelo aumento do preço do petróleo leva a humanidade de volta aos anos 70, porém desta vez não se trata de uma questão política, mas sim de uma situação estrutural da económica energética a nível mundial.
Há necessidade de maior investimento em energias de fontes renováveis – eólica, solar, das ondas, hidroeléctrica, energia nuclear – fissão e fusão nuclear e energia obtida através da biomassa e em eficiência energética.
Portugal, apesar de ter um rácio de utilização de energias renováveis na produção de electricidade acima da média europeia, ainda está longe de ser eficiente na utilização dos seus recursos e da energia final.
No gráfico seguinte, é possível ver a evolução do consumo de energia primária em Portugal (IEA, 2009).
Ao nível dos transportes, a preferência que os governos deram ao transporte rodoviário face ao ferroviário, a baixa eficiência energética das casas – desde o mau isolamento à utilização de lareiras tradicionais e à fraca utilização de energia solar – chocante a nossa posição em relação a Grécia, fazem com que sejamos um dos países da Europa que mais consomem energia por riqueza criada. Tudo isto resulta no mau conforto térmico que os edifícios portugueses têm durante o inverno, onde somente uma pequena percentagem possui aquecimento central (INE, 2002).
Visto que é necessário utilizar mais eficientemente os recursos energéticos, as estratégias a serem definidas para a sua melhor gestão são (IEA, 2006):
- A introdução de leis que aumentem o padrão de eficiência energética de edifícios (exemplo: RCCTE) e de equipamentos;
- Criação de incentivos fiscais e sociais à melhor utilização da energia; - Investimento na rede de transportes públicos;
- Criação de equipas de gestão de energia nas empresas, nos poderes locais e nacionais; - Investigação e desenvolvimento de produtos mais eficientes e de metodologias de gestão da rede energética.
1.2 Energias Renováveis
As energias renováveis podem ser de origem: - Hídrica;
- Eólica;
- Solar – térmico, fotovoltaico ou híbrido; - Biocombustíveis;
- Biomassa.
1.2.1 Energia Hídrica
A tecnologia que suporta o aproveitamento hídrico para produção de electricidade é uma tecnologia muito madura, com rendimentos que rondam os 100%. O aproveitamento das grandes linhas de água já foi realizado há várias décadas, sendo que actualmente a prioridade é o aproveitamento de cursos de água menos rentáveis.
O impacto ambiental e social deste tipo de infra-estruturas é elevado, levando à destruição de habitats naturais e à deslocação das populações circundantes. A aprovação de novos empreendimentos exigirá uma certa flexibilização por parte das entidades competentes, até porque, face ao aumento das necessidades de água potável, as barragens terão grande importância no futuro.
A energia produzida através deste recurso tem preços competitivos quando comparada com centrais térmicas a carvão e a gás.
1.2.2 Energia Eólica
A energia eólica utiliza uma tecnologia madura, apesar de existirem progressos recentes na sua eficiência. As dificuldades associadas a este tipo de tecnologia são a fraca relação existente entre a energia produzida e a área necessária à sua instalação, a previsão da energia produzida e o seu impacto ambiental. As metodologias de avaliação, simulação e previsão dos recursos eólicos têm evoluído nos últimos anos.
1.2.3 Energia Solar
A energia solar térmica é uma tecnologia muito madura com retorno do investimento ao fim de poucos anos. Infelizmente, em Portugal, quer por razões políticas – demora na obrigatoriedade de painéis solares para aquecimento de AQS (Aquecimento de águas sanitárias) – quer por razões técnicas – inexistência de técnicos qualificados no início dos anos 90 levou a experiências decepcionantes por parte de muitos utilizadores finais, conduzindo a uma ideia generalizada de que a tecnologia era fraca, este tipo de tecnologia tem penetração quase irrelevante no mercado. Nos últimos anos, com o aumento do preço dos combustíveis, a introdução de novas leis e benefícios fiscais, o interesse por este tipo de produtos voltou a despertar.
O desenvolvimento de novos materiais e sistemas inteligentes de controlo permitirá num futuro não muito distante, a cobertura de 100 % das necessidades energéticas para AQS.
A energia solar fotovoltaica é uma tecnologia que apesar de existir no mercado há bastantes anos, pode e precisa de ter algumas melhorias. A utilização de materiais nobres e a alta tecnologia necessária à sua produção fazem com que seja a energia eléctrica mais cara do sistema energético.
Actualmente, encontram-se em desenvolvimento painéis solares híbridos que conjugam num só equipamento painéis solares térmicos e painéis solares fotovoltaicos. A água que circula no painel solar térmico vai reduzir a temperatura das células fotovoltaicas, aumentando deste modo a eficiência geral do sistema para cerca de 90 %.
1.2.4 Biocombustíveis
Os biocombustíveis são uma forma de energia bastante controversa, por entrarem em conflito com a alimentação humana, por terem um rendimento muitíssimo inferior ao das células fotovoltaicas, por terem um rácio de energia obtida/ energia utilizada na produção bastante baixo e por ser duvidoso que realmente seja um substituto do petróleo visto que são utilizados fertilizantes derivados do petróleo na sua produção. Deverão possuir um papel importante, numa fase inicial de transição entre economia de petróleo e economia sem petróleo, poderão ser importantes na reciclagem de óleos utilizados na indústria alimentar e no aproveitamento de resíduos agrícolas mas a sua aplicabilidade deverá, no futuro, concentrar-se em nichos de mercado e aplicações específicas.
1.2.5 Biomassa
Biomassa é qualquer material de origem biológica que pode ser usado com combustível – incluindo erva, milho, madeira ou biogás assim como resíduos florestais e agrícolas.
Trata-se de fazer o aproveitamento energético de um combustível que caso contrário será decomposto pela natureza sem benefício da humanidade. Os seus principais problemas são a sua fraca densidade energética, a variabilidade das características do combustível – composição e teor de humidade, e o tratamento final das cinzas.
Em seguida, é apresentado um quadro com as poupanças que são possíveis de realizar com o recurso a biomassa para o aquecimento central (ATMOS, 2008).
Combustível Poder calorífico médio Preço médio Combustível 1.1.2008
Eficiência Média Consumo anual de combustível
Custo total da estação de aquecimento [€]
Madeira 14,8 MJ/kg 1 21 €/
pilha de m3 Caldeira Pirolítica - 85% 9,5 t 437
Carvão betuminoso 18 MJ/kg1 87-117 €/t Caldeira Pirolítica - 85% 7,9 t 691 - 921
Pellets 18 MJ/kg 1 125-188 €/t Caldeira Pirolítica - 91% 7,4 t 925 - 1387
Briquettes 18 MJ/kg 1 125-188 €/t Caldeira Pirolítica - 85% 7,9 t 987 - 1480
Gás Natural 33,7 MJ/m3 1 41 €/MWh 0,43 €/m3 Caldeira de Condensação - 105% 3390 m 3 1455 Caldeira Clássica - 90% 3960 m3 1700 Acumulador de Calor - Electricidade 3,6 MJ/kWh 0,0059 €/kWh 98% 34 010 kWh 2012 Resistência Eléctrica 3,6 MJ/kWh 0,075 €/kWh 99% 33 670 kWh 2511 Light fuel oil 42 MJ/kg 1 0,63 - 0,79 €/kg 90% 3180 kg 1987 - 2517
Propano-butano 46 MJ/kg 1 0,71 - 0,96 €/kg 90% 2900 kg 2054 - 2779
Tabela 1.1 - Simulação dos gastos em aquecimento para um consumo de 120GJ e um espaço aquecido de 130m2 (ATMOS, 2008)
1 Poder Calorífico Inferior
Os resultados podem ser sintetizados no seguinte gráfico.
Consumo de 120GJ e Espaço aquecido de 130 m2
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Mad eira Pelle ts Briq uette s Gás Natu ral Acum ulad or d e Ca lor Ligh t fue l oil Prop an o-buta no C u st o [ €] 0 20 40 60 80 100 120 E fi ci ên ci a [% ] Custo Eficiência
Gráfico 1.2 - Simulação dos gastos em aquecimento para um consumo de 120GJ e um espaço aquecido de 130m2 (ATMOS, 2008)
1.2.5.1 Biomassa em Portugal
A utilização de biomassa como recurso energético tem vindo a aumentar em Portugal nos últimos anos como resultado de um maior investimento em centrais térmicas que queimam resíduos florestais e aproveitamento de lixos municipais.
Em 2005, a utilização de biocombustíveis e resíduos urbanos constituiu cerca de 10 % do consumo total de energia primária. Os responsáveis por este consumo foram (IEA, 2006):
- Indústria com 46% do consumo total
- Produção de calor de processo a partir de resíduos industriais; - Sector residencial com 40% do consumo total
- Produção de calor com recurso a lareiras e fogões a lenha; - Centrais de cogeração com 6% do consumo total;
- Centrais de produção eléctrica com 8% do consumo total.
Os valores de utilização de biomassa são semelhantes ao uso mundial de biomassa, 10% do consumo de energia primária total, onde os principais responsáveis pelo consumo foram a indústria, produção de electricidade e de calor, os transportes e o sector residencial. Porém o consumo de biomassa em Portugal é bastante superior à média europeia, 5 %.
Em 2005, a capacidade de produção eléctrica a partir de biomassa e de resíduos urbanos era de 473 MW com as seguintes proporções:
- Biomassa com cogeração - 3%; - Biomassa sem cogeração - 74%; - Biogás - 2%;
- Resíduos urbanos - 20%.
Tendo em conta que o sector residencial é responsável por 40% do consumo de biomassa, que a tecnologia utilizada no seu aproveitamento são fogões a lenha e lareiras e que este tipo de tecnologia tem eficiências entre os 40% e os 50%, se este tipo de tecnologia fosse substituída por caldeiras a combustíveis sólidos com eficiências na ordem dos 80%, teríamos um ganho anual de 350 tep em energia final.
1.3 Empresa
Em 1949, a Dakon foi criada por 5 empreendedores cujas iniciais dos seus nomes deram origem ao nome da empresa.
Em 2003, a Buderus adquiriu a Dakon com o objectivo de completar a sua gama de produtos de aquecimento de águas e para melhor penetrar no mercado emergente da Europa de Leste.
No mesmo ano, a Bosch Termotecnik compra a Buderus, passando a Dakon a integrar este grupo multinacional.
Em 2008, a Dakon adopta o nome de Bosch Termotechnika s.r.o..
A Bosch Termotechnika s.r.o. localiza-se em Krnov, na República Checa, a menos de 400km de Praga, Budapeste, Bratislava, Varsóvia e Viena. Dedica-se à produção de caldeiras eléctricas, a gás, a combustíveis líquidos e a combustíveis sólidos, como potências que variam entre os 5kW e os 3MW. Emprega mais de 500 colaboradores e tem uma produção anual de 36.000 caldeiras a combustíveis sólidos. Produz equipamentos sob a marca Buderus, Bosch e Dakon.
Apesar de grande parte da produção se destinar aos países da ex-URSS, onde a exigência sobre a qualidade do produto não é muita, após a integração da empresa no prestigiado grupo Bosch, os critérios de qualidade do produto aumentaram. Tornou-se necessário conhecer melhor o produto, apostar no desenvolvimento e na concepção.
1.4 O Projecto
As caldeiras comercializadas pela Bosch Termotechnika s.r.o. têm, no utilizador final, uma durabilidade que ronda os 5 anos. Um valor aceitável visto que as caldeiras trabalham cerca de 2000 h/ano e são sujeitas a condições de utilização real muito agressivas, operação a baixa temperatura – 50 °C - que originam problemas de condensação e utilização de combustíveis não recomendados, por exemplo é utilizada muitas vezes na incineração de lixo.
Visto que existem novas exigências ambientais e de eficiência energética como demanda da legislação introduzida pela União Europeia e do mercado, é necessário criar novos produtos e melhorar os existentes.
No desenvolvimento de produto, do ponto de vista da análise da eficiência e da durabilidade do produto, existem três tipos de testes fundamentais:
- Teste de eficiência - permite observar a evolução da eficiência da caldeira ao longo do seu ciclo de vida;
- Teste de durabilidade - permite simular, num período mais reduzido de tempo, a operação da caldeira no utilizador final;
- Teste de campo - permite observar as falhas que se verificam em operação real - falhas electrónicas, fugas, corrosão e operatividade.
No laboratório da empresa, existiam duas bancas de ensaios com circuito de água aberto onde eram feitos diariamente testes de eficiência e ocasionalmente testes de durabilidade.
Os testes de durabilidade realizados ocasionalmente não seguiam qualquer procedimento. Havia a necessidade do desenvolvimento de um documento que orientasse os testes de durabilidade na sua generalidade e de procedimentos de teste específicos para cada gama de caldeiras. O número de bancas disponíveis não permitiam prolongar os testes de durabilidade durante o período necessário, havendo necessidade de criar uma zona de testes exclusiva da durabilidade.
As bancas em ciclo aberto permitem o teste das caldeiras nas condições segundo a norma DIN EN 303 - 5 mas impedem a simulação da caldeira em funcionamento real - normalmente as caldeiras são instaladas em ciclo fechado.
1.4.1 Objectivos
Os objectivos subjacentes a este projecto são:
- Definição de procedimentos de teste de durabilidade - um procedimento geral que funcionará como referência para futuros testes e procedimentos específicos para as gamas das caldeiras já existentes;
- Definição da nova zona de testes de durabilidade - definir a disposição do laboratório, definir pontos de acesso à rede de água e ao esgoto e definir a instrumentação necessária;
- Projectar uma banca de ensaio de eficiência em ciclo fechado - definir os componentes necessários - válvulas, tubagens, instrumentação, bombas e permutadores.
- Definição dos critérios de robustez - definir testes que permitam elevar a longevidade e fiabilidade do produto final;
- Efectuar testes de “Estanquicidade da Gama Prexal”, “Resistência à variação de pressão” e “Sobrepressão hidráulica”.
2 Combustão
A combustão designa a combinação química rápida na qual o oxigénio se combina rapidamente com um combustível, constituindo uma reacção de oxidação.
Na combustão de combustíveis sólidos, a combustão não se dá directamente. Inicialmente, os combustíveis sofrem uma degradação térmica, a pirólise, da qual surgem produtos gasosos e vapores que são combustíveis. Após a pirólise, para que possa ocorrer a combustão, umas das seguintes condições terá que existir: uma chama piloto que permita ocorrência de combustão ou a temperatura dos produtos de pirólise é suficientemente elevada para que a combustão espontânea ocorra. No caso da madeira, o calor que a chama piloto terá que fornecer será 0,3 cal por centímetro quadrado por segundo, para que ocorra combustão espontânea é necessário 0,6 cal por centímetro quadrado por segundo (Browne, 1958).
Sob as condições apropriadas, estes produtos podem queimar e, se o calor retido pelo combustível for o suficiente para manter a pirólise, a queima continuará até que o combustível seja totalmente consumido, exceptuando os compostos inorgânicos que originarão as cinzas.
A combustão de combustíveis sólidos em caldeiras tem duas vertentes:
- Caldeira normal - a energia irradiada pelo combustível é suficiente para que, após a pirólise, ocorra a combustão espontânea;
- Caldeira de gaseificação - a pirólise realiza-se numa câmara na ausência de ar, após a formação dos produtos de pirólise, estes são transportados por ventilação forçada para uma câmara secundária, onde ocorre a mistura com ar e se realiza a sua combustão.
2.1 Combustíveis Sólidos
Os combustíveis sólidos podem ter origem: - Fóssil - carvão, coque e betume;
- Biológica - madeira, briquettes e pellet.
O carvão é uma mistura de carbono, hidrogénio, oxigénio, azoto, enxofre, água e cinzas. Visto que não é uma substância pura nem tem uma composição uniforme, não é possível atribuir-lhe uma fórmula química bem definida.
As reservas mundiais de carvão podem ver verificadas na tabela seguinte.
Combustível Reservas (milhões de ton) Carvão Betuminoso 430 896 Carvão Semi-betuminoso 266 837 Lenhite 149 755 Turfa 5267
Tabela 2.1 - Reservas mundiais de carvão no final de 2005 (World Energy Council, 2007)
Existem vários tipos de carvão, antracite, hulha, lenhite e turfa, diferindo entre si na sua composição química, humidade e teor em cinzas, o que influencia o seu valor energético.
A antracite é uma forma dura e compacta de carvão com alto lustre. É o carvão com maior percentagem de carbono, entre 92% e 98%, e o tipo de carvão com menos impurezas apesar do seu baixo valor calorífico.
O carvão betuminoso (hulha) possui entre 60 a 80% de carvão, sendo o restante água, ar, hidrogénio e enxofre. Possui uma cor negra ou castanho escura e possui uma densidade de 1,3.
Lenhite é um tipo de carvão suave com cerca de 60% de composição em carbono e até 19% em cinzas. Devido à sua baixa densidade não é rentável o seu transporte pelo que normalmente as centrais eléctricas que o utilizam localizam-se nas proximidades dos locais de onde é extraído.
Turfa é o tipo de carvão mais pobre mas também o mais comum no planeta constituindo cerca de 2% da superfície terrestre (World Energy Council, 2007).
O coque é um resíduo sólido da destilação de certos tipos de carvão. A matéria combustível é constituída pelo carbono fixo remanescente uma vez que se libertam as matérias voláteis. Tem uma densidade de 0,77.
As características da madeira diferem bastante de espécie para espécie, não só nas características químicas mas também na estrutura. A madeira pode surgir na sua forma original, de lascas, de serrim, pellets e briquettes de madeira.
A pellet é uma forma comprimida e de tamanho uniforme de biomassa, o que a torna mais simples de utilizar e armazenar que a maioria dos restantes combustíveis sólidos. A tecnologia que utilizada pellets para aquecimento é simples, autónoma e de reduzida manutenção.
Os benefícios no uso deste tipo de combustíveis são (Massachusetts Division of Energy Resources, 2007):
- Redução do impacto ambiental - chuvas ácidas e aquecimento global;
- Estabilidade dos preços - é improvável que no futuro impostos sobre a emissão de carbono ou sobre a energia venham a aumentar sobre a biomassa, ao contrário do que deverá acontecer com os combustíveis fósseis;
- São fáceis de usar e armazenáveis em menos espaço que outros tipos de biomassa; - Possuem um conteúdo energético alto e a tecnologia que os utiliza possui uma alta eficiência energética quando comparada com outros tipos de biomassa;
- Queima pouco poluente e fonte renovável de energia;
- Produzidos a partir de resíduos florestais, agrícolas e industriais; - Preços menos voláteis que os combustíveis sólidos.
As briquettes de madeira podem ser produzidas de resíduos florestais e industriais através da sua compressão, sem adição de quaisquer aditivos. A qualidade do briquette é bastante importante, o briquette não deverá partir-se durante a queima. A formação de pedaços desagregados de briquettes podem entupir a admissão de ar.
Em seguida, é apresentado um quadro com a composição típica dos diferentes tipos de combustíveis.
Combustível Água
(as fired basis)
Cinzas (as fired basis)
Compostos Voláteis (as fired basis)
Poder Calorífico Inferior
Huwf Carvão Betuminoso a1 ≤ 11% 2% a 7% 15% a 30% >28 000 kJ/kg
a2 >30%
Lenhite (incl. briquettes) b1 ≤ 20% 5% a 20% 40% a 50% >12 500 kJ/kg
b2 50% a 60% Coque c1 ≤ 5% 5% a 15% <6% >28 000 kJ/kg c2 8%±2% Antracite d ≤ 5% 5%±3% <10% 19 000 kJ/kg ± 5% Madeira Macia A1 12% a 20% ≤0,4% 18 000 kJ/kg ± 5% Dura A2 12% a 20% ≤0,4% 18 000 kJ/kg ± 5% Lascas de Madeira B1 20% a 30% ≤0,4% 18 000 kJ/kg ± 5% B2 40% a 50% ≤0,4% 18 000 kJ/kg ± 5% Briquettes de Madeira C ≤12% ≤0,5% 18 000 kJ/kg ± 5% Serrim D 35% a 50% ≤0,5% 18 000 kJ/kg ± 5%
Tabela 2.2 - Composição típica dos diferentes tipos de combustíveis sólidos (CEN, 1994)
Tipo de Combustível Ar teórico para a combustão
Combustível Sólido kg/kg combustível
Antracite 9,6 Carvão Semi-betuminoso 11,2
Carvão Betuminoso 10,3
Lenhite 6,2
Coque 11,2
Tabela 2.3 - Ar teórico de combustão para diferentes combustíveis sólidos (ASHRAE, 2001)
Tipo de Combustível
Teórico CO2,%
Percentagem CO2 para um dado Excesso de Ar 20% 40% 60% Carvão Betuminoso 18,2 15,1 12,9 11,3 Antracite 20,2 16,8 14,4 12,6 Coque 21,0 17,5 15,0 13,0
Tabela 2.4 - Percentagem de CO2 para um dado excesso de ar para diferentes combustíveis (ASHRAE,
2.2 Aquecimento Central a Combustíveis Sólidos
O aquecimento central através de caldeiras a combustíveis sólidos usa o mesmo tipo de tubagens e radiadores, incluindo piso radiante, que outro qualquer combustível e podem ter sistemas semelhantes de controlo automático de potência e tempo.
Porém existem duas diferenças importantes:
- A maioria das caldeiras a combustíveis sólidos usam termóstatos mecânicos internos, fazendo com que o controlo seja efectuado sobre o circuito de aquecimento e não sobre a caldeira;
- Apesar de a combustão poder ser diminuída, não é possível pará-la completamente, sendo necessário existir um dispositivo de segurança que arrefeça a caldeira em caso de excesso ocasional de calor.
Existem quarto tipos de caldeiras a combustíveis sólidos.
As lareiras com sistema de aquecimento de água podem atingir eficiências de 70% e potências até 10kW. Porém não possuem sistema de controlo automático de temperatura, edifícios bem isolados podem ter dificuldade na extracção de fumos e podem provocar problemas na qualidade do ar interior. Este tipo de sistemas também não possui alimentação automática de combustível pelo que é recomendado o uso de combustíveis minerais que aumentam os intervalos em que a caldeira tem que ser realimentada.
Figura 2.1 - Lareira com sistema de aquecimento de água
Este tipo de caldeiras é muitas vezes escolhida porque, além de permitirem o aquecimento central, conferem um ambiente aconchegante.
Os fogões a lenha constituem outro tipo de caldeiras a combustíveis sólidos. Estes possuem no seu interior um sistema de tubagens que permite a troca de calor entre a câmara de combustão e a água do circuito de aquecimento central.
Possuem potências até 20kW e podem possuir controlo termoestático. Não possuem alimentação automática pelo que necessitam de um reabastecimento regular de combustível.
Figura 2.2 - Fogão a lenha com sistema de aquecimento de água
Fogões de sala com sistema de aquecimento de água podem ser colocados isoladamente ou encastrados na parede. A maioria possui controlo termoestático e alguns possuem alimentação automática.
Figura 2.3 - Fogão de sala com sistema de aquecimento de água
Caldeiras a combustíveis sólidos independentes são o tipo de caldeiras sobre o qual este projecto se vai debruçar. Tratam-se das caldeiras mais avançadas que existem que podem
combustão, combustão normal e combustão pirolítica. Estão disponíveis no mercado com sistemas de alimentação automática, regulação automática de temperatura e, por regulação comunitária, possuem sistemas de segurança que arrefecem automaticamente a caldeira em caso de sobreaquecimento. Podem funcionar com inúmeros combustíveis, minerais e vegetais.
Figura 2.4 - Caldeira a combustíveis sólidos independente
É possível conectar uma caldeira a combustíveis sólidos e um outro tipo de caldeira no mesmo sistema, uma vez que a caldeira a combustíveis sólidos atinja a temperatura de operação, a outra caldeira é desligada automaticamente. Se a combustão diminui, a outra caldeira é activada, e se a demanda de calor for grande, as duas caldeiras podem funcionar em paralelo.
Este tipo de instalações devem ser cuidadosamente analisadas para evitar que uma caldeira não esteja a aquecer a outra e para que a expansão da água e o excesso de calor sejam geridos em segurança.
Esquema 2.1 - Sistema de aquecimento central que integra caldeira a combustíveis sólidos e outro tipo de caldeira
Algumas caldeiras a combustíveis sólidos possuem sistemas automáticos de realimentação, possuindo sistemas electrónicos de alimentação ou ventiladores que regulam a entrada de ar. Porém a maioria possui termóstatos mecânicos com uma bobine na qual existe um óleo que ao expandir, move um braço que fecha o fornecimento de ar levando a uma diminuição da combustão.
Portanto, se o relógio ou o termóstato da divisão do edifício determinar que não é necessário calor, a bomba de circulação para fazendo com que a temperatura da caldeira suba, o óleo expande, a entrada de ar fecha e a combustão pára. Se existir demanda de calor, água fria entra na caldeira, a entrada de ar abre e as brasas entram novamente em combustão.
2.3 Caldeiras a Combustíveis Sólidos
Uma caldeira a combustível sólidos é constituída por câmara de combustível, câmara de combustão, câmara de recolha de cinzas, permutador de calor ar-água, alimentação de ar e saída dos produtos de combustão. A forma como estes diferentes componentes estão organizados depende do tipo de combustão em que a caldeira se baseia assim como a relação preço final/combustível pretendida.
Esquema 2.3 - Organização de uma caldeira genérica
2.3.1 Caldeira Normal
Numa caldeira normal, visto que a pirólise e a combustão se dão simultaneamente, a câmara de combustível e a câmara de combustão, constituem o mesmo órgão na caldeira.
Neste tipo de combustão, visto que a mistura do ar com o combustível ocorre no interior do leito de combustível, torna-se mais difícil optimizar a mistura de ar e combustível, a combustão não é tão eficiente, o excesso de ar reduz a temperatura dos gases de combustão, fazendo com que a eficiência final da caldeira seja menor quando comparada com uma caldeira de gaseificação.
Esquema 2.4 - Organização de uma caldeira normal
2.3.2 Caldeira de Gaseificação
Numa caldeira a combustão pirolítica ou de gaseificação, visto que a pirólise e a combustão dos seus produtos ocorre em dois eventos distintos, existem duas câmaras independentes - câmara de combustão e câmara de combustível. Neste tipo de caldeiras, a pirólise dá-se na câmara de combustível, os seus produtos são conduzidos por ventilação forçada para a câmara de combustão, onde vão ser misturados com ar, existindo a temperatura necessária a combustão espontânea, dá-se a combustão. Visto que a combustão ocorre numa câmara independente, torna-se mais fácil efectuar a mistura ar/combustível, levando a uma combustão mais eficiente, com menos excesso de ar que conduz a uma maior temperatura dos gases de combustão, aumentando a eficiência do sistema.
Numa caldeira de gaseificação, a operação divide-se em duas etapas. Uma primeira etapa em que se arranca a caldeira e uma segunda fase que constitui o modo de operação final da caldeira.
A primeira fase decorre do facto de ser necessário criar um leito de brasas que vai fornecer o calor necessário à pirólise. Durante esta fase, a saída dos Gases de Combustão 2 encontra-se aberta e a saída dos Gases de Combustão 1 é fechada (Esquema 2.5). O ar entra pelo injector, segue pelo canal que liga a câmara de combustão à de combustível/pirólise, onde se dá a pirólise imediatamente seguida da combustão.
Após cerca de 10-15 mim, a saída de Gases de Combustão 1 é encerrada e aberta a saída dos Gases de Combustão 2, os produtos da pirólise são transportados para a câmara de combustão, onde são misturados com ar, dá-se a combustão, sendo que os gases de combustão saem pela saída Gases de Combustão 2.
2.4 Gamas a Testar
As caldeiras a combustíveis sólidos são vendidas sob 3 gamas: - DOR – gama baixa.
- FB - gama média. - PYRO - gama alta.
De todas as gamas, a gama PYRO é considerada a gama mais alta. Porém, em operação real, os problemas derivados da sua alta temperatura de combustão, provocam problemas de corrosão e erosão, fazendo com que a sua durabilidade seja mais reduzida do que o esperado. Por isso, a gama FB é actualmente considerada a que tem melhores caldeiras.
As características das caldeiras - consumo, potência, temperatura, peso, atravancamento - são de extrema importância porque vão condicionar a concepção das bancas de teste e dos procedimentos.
As gamas que serão em seguida apresentadas apresentam a designação dos produtos comercializados sob a marca DAKON. As suas designações poderão ser diferentes quando comercializadas sobre as marcas Bosch e Buderus, porém, com excepção de pormenores estéticos, a concepção da caldeira é igual em qualquer uma das marcas.
2.4.1 Gama DOR
A gama DOR é a gama mais baixa das caldeiras a combustíveis sólidos. Apresenta potências nominais entre 13,5kW e 45kW, eficiência entre 74% e 82%, alimentação manual, controlo de temperatura manual e exaustão passiva.
Características Modelo 12 16 20 24 25 32 32D 45D Potência
(valor mínimo/valor nominal) kW 7/13,5 6/16 6/20 7/24 8/27 9/32 9/28 12/45 Rendimento com combustível
recomendado % 78/84 74/78 75/82 76/82
Rendimento com combustível
alternativo % 74/86 72/83 73/82
Classe segundo EN 303-5-2 - Classe 2
Combustível recomendado - Lenhite Madeira Consumo kg/h 3,2 4,7 6,0 7,6 7,9 8,9 8,4 14,0 Combustível Alternativo - A, B, C, D, E, F B, C, D, E, F Volume da câmara de
combustível L 26 46 61 62 115
Volume de água no permutador L 46 46 56 57 63 64 64 73 Temperatura de saída da água °C 65 a 95
Temperatura dos fumos °C 100 a 250 Débito mássico de fumos
À potência nominal g/s 15,2 17,8 22,3 26,5 30,4 36,1 19,6 31,5 À potência mínima g/s 7,8 6,6 6,7 7,8 8,6 11,3 6,2 12,2 Tiragem necessária Pa 12 18 20 26 26 26 26 26 Pressão máxima de serviço bar 2,5
Peso kg 158 166 200 215 232 240 320 Dimensões mm 600x730x920 770x700x1040 870x700x1060 980x770x1045
A - Madeira; B - Lenhite (10-20mm); C - Briquettes; D - Combustíveis comprimidos; E - Carvão; F - Coque
Tabela 2.5 - Características das caldeira da gama DOR
Nas caldeiras da gama DOR, a combustão ocorre imediatamente após a pirólise do combustível sólido portanto a câmara de combustível é a mesma que a câmara de combustão.
Em seguida, pode-se ver o esquema da caldeira.
Esquema 2.6 - Funcionamento de uma caldeira da gama DOR
O combustível existente na câmara de combustão vai-se misturar com o ar proveniente do exterior, ocorrendo a combustão nessa mesma câmara. Em seguida, os gases de combustão são condicionados por, ventilação natural, a seguir o percurso definido pelo permutador de calor. A água existente nesse permutador, por convecção, radiação e condução vai extrair calor dos gases de combustão, sofrendo um acréscimo de temperatura de cerca de 20°C. Os gases de combustão irão finalmente ser expulsos através do sistema de ventilação natural.
2.4.2 Gama FB
A gama FB é a gama média das caldeiras a combustíveis sólidos. Apresenta potências nominais entre 20kW e 42kW, eficiência entre 78% e 82%, alimentação manual, controlo de temperatura manual e exaustão passiva.
Característica Modelo 20 20D 26 26D 32 32D 36 36D 42 42D Potência (valor mínimo/valor nominal) kW 6/20 8/16 8/26 10/20 9,5/32 13/25 11/36 15/30 12,5/42 17/34 Rendimento com combustível recomendado % 78 a 82 Combustível
recomendado - Coque Madeira Coque Madeira Coque Madeira Coque Madeira Coque Madeira Consumo kg/h 3,37 4,85 4,8 6,11 5,9 7,38 6,66 8,65 7,77 9,92 Volume da câmara de combustível l 25,5 34 42,5 51 59,5 Volume de água no permutador l 27 31 35 39 43 Temperatura de saída da água °C 50 a 90 Temperatura dos fumos °C 120/240 130/250 140/250 150/260 Débito massivo de fumos À potência nominal g/s 9,54 12,31 15,08 16,99 19,78 À potência mínima g/s 3,02 3,95 4,66 5,36 6,04 Tiragem necessária Pa 20 22 23 25 28 Pressão máxima de serviço bar 4 Peso kg 210 245 280 315 350 Dimensões mm 1033x1344x840 1033x1344x940 1033x1344x1040 1033x1344x1140 1033x1344x1240
Tabela 2.6 - Características das caldeiras da gama FB
Nas caldeiras da gama FB, a combustão ocorre imediatamente após a pirólise do combustível sólido portanto a câmara de combustível é a mesma que a câmara de combustão.
Em seguida, pode-se ver o esquema da caldeira.
2.4.3 Gama PYRO
A gama PYRO é a gama alta das caldeiras a combustíveis sólidos. Apresenta potências nominais entre 21kW e 36kW, eficiência entre 78% e 85%, alimentação manual, controlo de temperatura automático e exaustão activa.
Característica Modelo 18 24 32 38
Potência
(valor mínimo/valor nominal) kW 8/21 12/35 13/33 15/36 Rendimento com combustível
recomendado % 78 a 85
Combustível recomendado - Madeira
Consumo kg/h 5,7 7 8,5 10
Volume da câmara de
combustível l 66 86 114 138
Volume de água no permutador l 76 90 107 124 Temperatura de saída da água °C 65 a 95
Temperatura dos fumos °C 100 a 200 Débito massivo de fumos à
potência nominal g/s 15,2 18,0 21,0 24,0 Pressão máxima de serviço bar 3,0
Peso kg 310 350 375 410
Dimensões mm 750x626x1185 850x626x1185 800x686x1250 900x686x1250
Tabela 2.7 - Características das caldeiras da gama PYRO
Nas caldeiras da gama PYRO, a pirólise e a combustão dos seus produtos dão-se em eventos separados, pelo que a câmara de combustível e a câmara de combustão constituem duas unidades independentes. Visto que é necessário transportar os produtos da pirólise da câmara de combustível para a câmara de combustão, a caldeira vem equipada com um sistema de ventilação forçada. A temperatura máxima alcançada na câmara de combustão é de 1500 ºC.
Em seguida, pode-se ver o esquema da caldeira.
Esquema 2.8 - Funcionamento de uma caldeira da gama PYRO
A água do sistema de aquecimento central circula pela concha em redor da câmara de combustível e da câmara de combustão.
3 Teste de Eficiência e Emissões
No mercado europeu, para que a caldeira seja aprovada é necessário que se cumpram os requisitos da norma EN303-5. Esta norma classifica o tipo de caldeira, a concepção, os materiais, os testes de resistência e de eficiência, e a documentação que deve acompanhar a caldeira na sua comercialização final.
Devido a contratempos relacionados com a incapacidade dos fornecedores da bomba e dos permutadores e da empresa de instalação em cumprir os prazos não foi possível montar e testar a banca de testes. Porém toda a informação referente à banca de teste, instruções de montagem e utilização foram devidamente documentadas e arquivadas para que, num futuro próximo, seja fácil a implementação da banca desenvolvida.
3.1 Teste de Eficiência
No teste de eficiência, a temperatura de entrada da água quente deverá ser 60°C e a temperatura da água de saída deverá rondar os 80°C.
O teste de eficiência pode ser feito de duas formas diferentes, uma directa e outra indirecta.
3.1.1 Método Directo
No método directo, a eficiência é obtida através da razão entre o calor obtido e o calor contido no combustível.
η=Q/QB
Q - calor extraído da caldeira , QB - poder calorífico da amostra de combustível testada
Este método é relativamente simples de reproduzir, sendo apenas necessário recolher os dados sobre a massa de combustível inserida na caldeira, as temperaturas de entrada e saída de água e o caudal de água.
Segundo a norma “ČSN EN 304 - Kotle pro ústředni vytápěni. Předpisy pro zkoušeni kotlu pro ústředni vytápění s rozprašovacími hořáky na kapalná paliva” (Caldeiras para aquecimento – Regras de ensaio de caldeiras para aquecimento com queimadores a óleo pulverizado), as bancas de teste podem ter dois tipos de princípio de funcionamento, circuito aberto (Esquema 3.2) e circuito fechado (Esquema 3.1) como pode ser observado nos esquemas seguintes.
1 - Válvula de 3 vias 2 - Contentor da Balança 3 - Balança
4 - Vaso de Expansão fechado ou aberto
5 - Permutador de calor
6 - Entrada de água fria a pressão constante 7 - Bomba de circulação
8 - Caldeira
Esquema 3.1 - Instalação de uma banca de eficiência em circuito fechado
1 - Válvula de 3 vias 2 - Contentor da Balança 3 - Balança
4 - Saída de água quente 5 - Respiradouro 6 - Entrada de água fria
7 - Tanque de regulação de caudal aberto ou fechado
8 - Caldeira
9 - Válvula redutora de pressão 10 - Entrada de água fria
11 - Várias opções de abastecimento
12 - Entrada de água fria
13 - Tanque de abastecimento de água constante
14 - Escape da água em excesso 15 - Reservatório com flutuador
3.1.1.1 Cálculo do Calor Extraído – Circuito Aberto
QN=W1.CW1.(TW-TE)
Onde W1 é o caudal que entra ou sai da instalação
CW1 é o calor específico mássico da água à temperatura de (TR-TE)/2
TR é a temperatura de entrada da água da caldeira
TE é a temperatura de entrada da água na instalação
TW é a temperatura de saída da água da instalação
3.1.1.2 Cálculo do Calor Extraído – Circuito Fechado
QN=W2.CW2.(TWA-TE)+QV
Onde W2 é o caudal de água de arrefecimento
TE é a temperatura de entrada da água de arrefecimento
TWA é a temperatura de entrada da água de arrefecimento
CW2 é o calor específico mássico da água à temperatura de (TWA+TE)/2
Qv é a perda de calor da instalação considerando que os testes são realizados a
uma temperatura W
3.1.1.3 Cálculo do Calor Fornecido - QB
Q=B.Hu
Onde B é o caudal mássico de combustível
Hu é o poder calorífico do combustível
3.1.2 Método Indirecto
O método indirecto é só utilizado para verificação dos resultados, contempla as perdas que ocorrem por combustão incompleta, radiação, convenção e condução e calor sensível dos produtos de combustão.
η=1-(Qa-Qu-Qs-Qb)/QB
Qa - calor sensível dos produtos de combustão
Qs - perdas por radiação, condução e convecção
Qb - perdas por combustível não queimado na câmara de combustão
QB – energia química da amostra de combustível testada
Este método é mais complexo pelo que não é muito utilizado, o cálculo dos valores anteriormente mencionados não é directo exigindo medições das emissões, análise química das cinzas e análise térmica da caldeira.
Poderá pensar-se que teria interesse fazer a análise detalhada que este método propõe. Porém, em termotecnologia, em caldeiras de potências reduzidas, é mais simples, menos oneroso e mais rápido, criar um protótipo e testa-lo do que fazer uma análise detalhada do sistema.
3.2 Banca de Teste de Eficiência em Ciclo Fechado
O desenvolvimento de uma nova banca de teste em ciclo fechado irá permitir realizar, não só os testes de eficiência necessários à homologação do produto, mas também simular o funcionamento da caldeira em operação real. Normalmente, um sistema de aquecimento central opera em circuito fechado possuindo uma válvula de 3vias que condiciona a água de acordo com a sua temperatura.
Em seguida, é apresentado uma possível instalação de uma caldeira para aquecimento central e aquecimento de águas quentes sanitárias.
Esquema 3.3 - Instalação de aquecimento central com uma caldeira a combustíveis sólidos
Como se pode verificar, numa instalação real, existem 3 circuitos fechados, o circuito da caldeira, o do aquecimento central e o das águas quentes sanitárias.
No circuito da caldeira, enquanto a água não alcançar a temperatura desejada, a válvula condiciona o fluido a regressar à caldeira. Assim que o fluido alcançar a temperatura desejada, este é orientado para o permutador.
No circuito do aquecimento central, a bomba só é iniciada quando a temperatura à saída da caldeira atinge os 80ºC.
No circuito da caldeira, a bomba é accionada quando a temperatura a saída da caldeira é de 80ºC e a temperatura do depósito é inferior a 60ºC.
Evidentemente que na banca na ser desenvolvida não existirão os circuitos do aquecimento central nem os circuitos das águas quentes sanitárias (AQS). Em seu lugar, serão colocados um conjunto de permutadores água/água que permitirão simular a carga térmica desejada.
3.2.1 Requisitos
A banca deverá cumprir um conjunto de requisitos que garantam que irá ter um funcionamento correcto. Os requisitos serão:
1. Temperatura de operação - 5°C e 120°C a. Tendo influência sobre
i. O dimensionamento das tubagens; ii. A selecção de materiais;
iii. A selecção da instrumentação;
iv. O dimensionamento dos vasos de expansão; v. O dimensionamento das válvulas de segurança; 2. Pressão máxima de trabalho – 2,5bar (rel.)
a. Tendo influência sobre
i. O dimensionamento das tubagens; ii. A selecção das válvulas de segurança; iii. A selecção do vaso de expansão;
iv. Os restantes componentes terão que suportar a pressão de operação; 3. Caudal volúmico - 0,9 a 4,5 m3/h
a. Tendo influência sobre
i. A selecção da instrumentação; ii. O dimensionamento das tubagens; iii. A selecção da bomba;
4. Potência - 20 a 100 kW a. Tendo influência sobre
i. O dimensionamento dos permutadores; ii. A válvula de segurança;
5. Incremento de temperatura da água - 20°C a. Tendo influência sobre
3.2.2 Concepção
3.2.2.1 Selecção de Válvulas
As válvulas são uma parte essencial de qualquer sistema de tubagem que transporte líquidos, gases, vapores, misturas de líquidos e gases.
Os diferentes tipos de válvulas são de gaveta, globo, anti-retorno, macho esférico, plug, borboleta, diafragma, pinch e de segurança. Cada um destes tipos possui várias categorias e concepções, cada um oferecendo diferentes recursos e funcionalidades. Algumas destas válvulas são autónomas, outras são actuadas manualmente ou possuem actuadores que são alimentados electricamente, pneumaticamente ou hidraulicamente. Podem ser fabricadas com materiais metálicos ou não metálicos.
Para seleccionar uma válvula para uma aplicação específica, o utilizador tem que avaliar as características da válvula, incluindo a concepção, materiais de construção e performance, em linha com os requisitos específicos da aplicação: fluido de trabalho, requisitos de concepção do processo, concepção das tubagens e factores económicos.
Esquema 3.4 - Exemplar de válvula (Zappe, 2009)
Em anexo são descritos sucintamente os tipos de válvulas que se aplicam nas instalações experimentais em análise.
Na instalação, serão necessários de dois tipos de válvula. Um tipo que nos confira um bom controlo de caudal e uma boa resistência térmica para regular o caudal dos circuitos e um tipo de válvula que nos confira uma boa vedação, uma abertura/fecho rápida e uma boa resistência térmica.
Tendo em conta as características dos diferentes tipos de válvulas, foi considerada o tipo de válvula ideal para controlo de caudal a válvula globo pela sua boa resistência mecânica e térmica e bom controlo de caudal. Para os pontos de ligação a rede, foi seleccionada a válvula de macho esférico, pela sua boa resistência mecânica e capacidade de vedação, simplicidade e baixo preço.
3.2.3 Selecção de Tubagem
A selecção da tubagem leva em conta a resistência à corrosão, a resistência mecânica e a adequação da velocidade da água ao sistema em causa. A velocidade da água de acordo com o tipo de serviço é (ASHRAE, 2001):
- Serviço em geral - 0,36 a 0,92 m/s;
- Rede de abastecimento de água - 0,27 a 0,64 m/s; - Alimentação de caldeiras - 0,55 a 1,40 m/s; - Bombas de sucção e linhas de purga - 0,36 a 0,64.
A velocidade máxima de escoamento para que se minimize a erosão é: - 1500 horas de operação anual - 4,6m/s;
- 2000 horas de operação anual - 4,4m/s; - 3000 horas de operação anual - 4,0m/s; - 4000 horas de operação anual - 3,7m/s; - 6000 horas de operação anual - 3,0m/s.
Em termos de resistência mecânica e rigidez estrutural, os valores recomendados para a distância máxima entre dois suportes de tubagem estão presentes na tabela seguinte.
Tamanho Nominal NPS (DN)
ANSI/ASME B36.10 Tubos de Aço
Designação
Distância entre apoios das tubagens Sem Isol. 1-in Isol. 1½-in Isol. 2-in Isol.
1/ 2 (15) 40 2,03 1,63 1,37 1,19 80 2,01 1,65 1,40 1,22 160 1,93 1,65 1,45 1,27 ¾ (20) 40 2,26 1,91 1,68 1.47 80 2,26 1,93 1,73 1,55 160 2,21 1,93 1,75 1,57 1 (25) 40 2,51 2,13 1,93 1,75 80 2,51 2,21 2,03 1,85 160 2,46 2,21 2,06 1,88
Tabela 3.1 - Distância entre apoios para diferentes tamanhos de tubagens e espessuras de isolamento (Nayyar, 2000)
A gama de temperaturas em que a tubagem opera não oferece problemas nem quanto a fluência nem quanto a fragilidade do material a baixas temperaturas.
